在超浅水浮托安装作业下的动力定位驳船触底分析方法与流程

本发明涉及海上工程领域，特别涉及一种在超浅水浮托安装作业下的动力定位驳船触底分析方法。

背景技术：

导管架平台是一种广泛用于浅海油气资源开发的固定式平台。导管架平台的上部组块的海上安装可以通过浮托法完成，浮托法是一种利用驳船将上部组块运输至安装位置，通过运用定位装置(系泊、动力定位等)，使得上部组块和驳船与已经安装好的导管架的水平相对运动保持在允许范围内，最后驳船通过调整压载水舱，增加吃水使得上部组块降下至平台上。在超浅水条件下，用于浮托安装的动力定位驳船的船底与海底之间的距离非常小，一旦出现触底，会造成重大经济损失并且威胁人员安全。由于动力定位驳船主尺度通常很大，驳船的轻微纵倾、横倾都会使驳船的船底四周有较大的垂向位移，因此当驳船有触底风险时，应通过压载水舱快速调载，改变驳船的姿态，避免触底情况的发生。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种在超浅水浮托安装作业下的动力定位驳船触底分析方法，通过进行动力定位驳船的模拟计算，为实船作业提供依据及有效指导，避免触底情况的发生。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种在超浅水浮托安装作业下的动力定位驳船触底分析方法，包括有以下步骤：

选定进行浮托安装作业的动力定位驳船，并根据该动力定位驳船的参数数据建立获取相对应的基本运动模型；

在基本运动模型上施加所要安装的上部组件及所处工作海域的环境载荷产生的环境作用力以使得基本运动模型在水面产生六自由度运动；

在基本运动模型上施加维持驳船船位的动力定位系统所产生的控制力、计算防止触底的快速调载模块产生的调载力，以进行模拟计算；

在预定的时间内对模拟计算结果进行判断，若是在预定的时长内基本运动模型的船底出现触底时，则停止模拟计算，并调整快速调载模块的设定参数并重新进行模拟计算；若是在设定的次数内重新设定快速调整模块参数进行模拟计算均出现触底，则判断预选的动力定位驳船不适合该工作海域的浮托安装作业，更换预选的动力定位驳船重新进行模拟计算；

若在预定的时间内基本运动模型未出现触底，则判断该动力定位驳船适用于该工作海域，将模拟对应的动力定位系统及快速调载模块应用于该动力定位驳船的实船作业。

作为优选，所述环境载荷选用历史记录一年中该工作海域最恶劣情况下的环境参数，施加在基本运动模型上的环境作用力为动力定位驳船受到的风载荷、波浪载荷以及流载荷产生的作用力。

作为优选，选用的历史记录一年中该工作海域最恶劣情况的环境参数至少包括有义波高、谱峰周期、谱峰因子、10分钟平均风速。

作为优选，所述基本运动模型产生的六自由度运动符合的动力学方程为

其中，方程式左侧的c(v)v、d(v)v、g(η)、g0分别为动力定位驳船受到的惯性力、科氏力、阻尼力、回复力和静水力，方程式右侧的τ、τ风、τ浪、τ流、τ调载、τ上部组块分别为动力定位系统输出的控制力、环境载荷的风力、波浪力、流力、快速调载模块产生的调载力以及力矩、上部组块对动力定位驳船施加的作用力。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

通过基本运动模型对动力定位驳船在工作海域的触底情况进行模拟，根据动力定位系统的控制及快速调载模块参数的调整，能够有效完成快速调载模块的参数设定，且能够完成动力定位驳船的选取，再进行实船作业，能够避免实船作业中动力定位驳船出现触底的情况，更加的安全、有效。

附图说明

图1为方法的流程示意框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

根据一个或多个实施例，公开了一种在超浅水浮托安装作业下的动力定位驳船触底分析方法，如图1所示，包括有以下步骤流程：

选定进行浮托安装作业的动力定位驳船，并根据该动力定位驳船的参数数据建立获取相对应的基本运动模型；

在基本运动模型上施加所要安装的上部组件及所处工作海域的环境载荷产生的环境作用力以使得基本运动模型在水面产生六自由度运动；

在基本运动模型上施加维持驳船船位的动力定位系统所产生的控制力、计算防止触底的快速调载模块产生的调载力，以进行模拟计算；

在预定的时间内对模拟计算结果进行判断，具体为：

若是在预定的时长内基本运动模型的船底出现触底时，则停止模拟计算，并调整快速调载程序的设定参数并重新进行模拟计算；若是在设定的次数内重新设定快速调整模块参数进行模拟计算均出现触底，则判断预选的动力定位驳船不适合该工作海域的浮托安装作业，需更换预选的动力定位驳船重新进行模拟计算；

若在预定的时间内基本运动模型未出现触底，则判断该动力定位驳船适用于该工作海域，将模拟对应的动力定位系统及快速调载模块应用于该动力定位驳船的实船作业。

判断是否触底具体为：

获取工作海域的水深以及动力定位驳船距离海底的安全距离，一般可设置为1米；

对动力定位驳船距离海底的距离进行检测并判断，在检测到的距离小于安全距离时判定为触底，进行反馈，反之判断为未触底。

具体的，环境载荷选用历史记录一年中该工作海域最恶劣情况下的环境参数，包括且不限于义波高、谱峰周期、谱峰因子、10分钟平均风速，，一般的恶劣情况下，风力等级在7级以内，海况在6级以内，7级风级对应的10分钟平均风速为13.9-17.1m/s，6级海况对应的有义波高为4-6m，谱峰因子取1.7-2.2，谱峰周期9-12s，风浪同向，流速为一节。如巴西海域一年一次的最恶劣环境情况为10分钟平均风速为19m/s，有义波高为6m，谱峰因子取1.7-2.2，谱峰周期9-15s，风浪同向，流速为1节，施加在基本运动模型上的环境作用力为动力定位驳船受到的风载荷、波浪载荷、流载荷产生的作用力。

以下方程式为基本运动模型产生的六自由度运动符合的动力学方程：

其中，方程式左侧的c(v)v、d(v)v、g(η)、g0分别为动力定位驳船受到的惯性力、科氏力、阻尼力、回复力和静水力，方程式右侧的τ、τ风、τ浪、τ流、τ调载、τ上部组块分别为动力定位系统输出的控制力、环境载荷的风力、波浪力、流力、快速调载模块产生的调载力以及力矩、上部组块对动力定位驳船施加的作用力。

通过建立大地坐标系、随船坐标系、运用海洋结构物的六自由度运动学和动力学方程得到动力定位驳船的基本运动模型。基本运动模型的获取步骤包括有：

建立大地坐标系，大地坐标系定义为固定在地球表面的右手坐标系，其原点位置o定为浮拖安装的作业点，动力定位驳船在大地坐标系内的位置和欧拉角表示为：

随船坐标系是固定在动力定位驳船上随其运动的右手坐标系。它以动力定位驳船的重心为原点，x、y和z轴分别是经过重心的水线面、横剖面和中纵剖面的交线，x轴以船艏方向为正，y轴以左舷方向为正，z轴以重力反方向为正。在随船坐标系内的速度向量表示为下式:

u，v，w，p，q，r依次对应动力定位驳船的六自由度运动速度。

随船坐标系与大地坐标系之间的转换关系由下式表示，该式即为动力定位驳船的六自由度运动学方程：

式中c表示余弦函数cos，s表示正弦函数sin，t表示正切函数tan。

建立基本运动模型所获取的动力定位驳船的参数数据包括有动力定位驳船的线型、质量、重心、浮心位置及各推进器的布置位置；动力定位系统产生的控制力则为各推进器产生的推力及其对应的力矩，以使得动力定位驳船能够维持当前所需的船位。

综上所述，根据所得到的动力定位驳船的型线和吃水，结合工作海域的海况，运用风载荷、波浪载荷、流载荷计算公式计算出所处工作海域的环境载荷产生的环境作用力及其对应的力矩，将上部组块的重量和获得的环境载荷施加在动力定位驳船运动模型上，使得动力定位驳船在水面上产生六自由度运动，动力定位系统和快速调载模块实时进行计算，动力定位系统程序实时不断计算出动力定位驳船保持目前船位所需要的各推进器输出的控制力及控制力方向，快速调载程序不断计算出为防止触底而调载所产生的调载力以及力矩，控制力及调载力持续施加在动力定位驳船运动模型上进行控制调整。将动力定位驳船当前距离海底的距离与安全距离进行比较判断，当出现触底情况时，需要中断模拟计算，并且改变快速调载模块的参数，包括且不限于比例参数、积分参数、微分参数，完成调整后再进行再次的模拟计算。若通过调整参数始终无法避免触底情况的发生，则证明选用的动力定位驳船不适合进行该工作海域的浮托安装作业，需要改变选用的动力定位驳船。若在预定的时间内动力定位驳船的船底距离海底的距离均大于安全距离，即未出现触底情况的出现，则通过动力定位系统即快速调载模块的调整计算能够使得该选用的动力定位驳船在该海域能够完成安全的浮托安装作业，并将模拟采用的动力定位系统即快速调载模块应用于选用的动力定位驳船的实船作业。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

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